怎么做大跨度斜拉桥模态？_【模态空间】

本文主要内容包括：1.桥梁为什么要测模态；2.桥梁坐标定义；3.桥梁模态特点；4.桥梁所用传感器；5.桥梁模态测量难点；6.桥梁模态测点布置；7.模态测量方案；8.某斜拉桥模态振型等内容。...

桥梁动态检测时，模态参数是诸多动态检测参数中重要的一项，那为什么要获得桥梁模态参数，桥梁模态有什么特点，测量起来有什么难点，怎么测量大跨度桥梁模态等问题，在这里，您将都能找到答案。

本文主要内容包括：

1.    桥梁为什么要测模态；

2.    桥梁坐标定义；

3.    桥梁模态特点；

4.    桥梁所用传感器；

5.    桥梁模态测量难点；

6.    桥梁模态测点布置；

7.    模态测量方案；

8.    某斜拉桥模态振型。

1. 桥梁为什么要测模态

2016年10月2日CCTV纪录片《超级工程II》第二集‘中国桥’中告诉我们在中国广袤大地上有75万座大大小小的桥梁，并且每年新增1万座。跨度越过1000米的大跨度桥梁在中国有20多座。长江上有162座跨江大桥，每年通行人次达180亿，第163座跨江大桥正在建造。

因此，由钢结构和钢筋混凝土结构组成的桥梁是国家基础设施的重要组成部分，对人民的生活和安全有着直接的影响。这些大型结构突然损坏往往会造成物资毁损和人员伤亡的重大事故。如1999年重庆彩虹桥突然倒塌，共造成40人死亡，其中包括18名年轻的武警战士。2009年株洲红旗路高架桥坍塌造成24辆车被损毁，9人死亡，16人受伤。下面的视频为1940年美国Tacoma大桥坍塌过程。因此，对桥梁结构定期进行检测或长期监测其动态特性就显得十分必要！

另一方面，了解桥梁建成后的基本动态特性，可以验证设计目标和计算假定，并用于评估桥梁整体结构的安全承载能力和使用条件。此类检测与分析还可以提供结构健康监测的基准模型，服务于结构长期监测和状态评估：包括使用性能(承载力和抗震性能评估等)。因此，开展桥梁的动态特性测试与研究具有重要的理论意义和工程应用价值！

2. 桥梁坐标定义

桥梁空间坐标：大桥长度方向为X方向，也称为纵向；宽度方向为Y方向，也称为横向；高度方向为Z方向，也称为竖向，如下图所示。

‍

3. 桥梁模态特点

桥梁属于大型土木结构，这类结构具有振动小，频率低的特点。桥梁跨度越大，频率越低。通常，用以下经验公式用于初步估计桥梁的频率：

第一阶频率=100/桥长

桥梁的第一阶频率大致为100除以桥长（单位：米）。当桥梁的长度为100米时，其第一阶频率大约为1Hz。如主跨650m的某双塔双索面钢箱梁斜拉桥，边跨设置辅助墩，其跨径布置为90+250+650+250+90=1330m，结构体系为五跨连续半漂浮体系，其前20阶模态频率集中于0~2Hz 的频带内。

桥梁模态研究一般只关心桥梁结构的横向（Y方向）及竖向方向（Z方向）固有频率及振型。且大多数情况下只关心结构前三阶模态，如下图所示为简支梁前三阶竖向模态振型。前三阶横向模态振型与竖向振型相同，只是运动方向不同而已。

梁前三阶模态振型

从上图可以看出，对称的桥梁结构存在对称的模态振型，如第1，3阶模态振型，和反对称模态振型，如第2阶模态振型。

4. 桥梁所用传感器

由于桥梁具有振动微弱，频率低的特点，因此，所使用的测振传感器应具有灵敏度高，低频特性好的特点。在这，推荐使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所研制的941B型或891-II型速度传感器。二者的区别在于低频下限不同，941B可达0.17Hz，而891-II只到0.5Hz，两种传感器外形和重量（1Kg）都相差不大，如下图为891-II型传感器现场测试照片。

由于941B型速度传感器低频性能更好，因此，大跨度桥梁模态测试更合适。该型号传感器主要用于地面和建筑结构的脉动测量，一般结构物的工业振动测量，高柔度结构物的超低频大幅度测量和微弱振动测量。传感器设有加速度、小速度、中速度和大速度四档。可根据需要，选取传感器上微型拨动开关选择相应的档位，提供测点的加速度和速度直接测量。其灵敏度高，是测量低频微弱振动的理想传感器。

941B型速度传感器主要性能指标如下表所示，从下表可以看出，该型号传感器灵敏度高，如加速度档灵敏度约为3000mV/g，小速度档达23000mV/m/s。另一方面，选择不同的档位，频率范围不一样。当测大跨度桥梁时，宜采用第4档。另外，请注意，941B型速度传感器分垂直和水平传感器，不可用颠倒错用。

5. 桥梁模态测量难点

对于大跨度斜拉桥而言，由于跨度上1000米，主塔高达1，200米，频率特别低等特点，因而，斜拉桥模态测试存在以下困难之处：

1.    桥梁跨度大，测点数量多，测点间距大，常规长导线测量方式已不能满足测试需要，超长导线必然会因为导线电阻大导致导线分压，造成测量误差。故，需要使用无线测量设备或其他不用长导线的测量方式。

2.    主塔高度达1，200米，带着测量仪器攀爬主塔更困难（7，80米的风机塔筒还有助爬装置，但桥梁主塔没有），还需要高空作业：布置传感器。因此，主塔测量难度特别大。

3.    由于采用无线测量装置，因而，需要保证各个无线测量设备采集的数据的同步性，如，主塔的数据与桥面数据的同步。

4.    由于测点数目多，还包括主塔上的测点，因此，需要合理布置测点和分配测量批次。

5.    大跨度桥梁模态频率特别低，模态密度高，有时模态耦合比较严重，如某斜拉桥前4阶模态位于0.2-0.3Hz之间，要求参考点位置更合理才能准确的测量与分离出这么密集的模态。

6.    模态频率超低，模态密集，对于测量时间是有要求的。

7.    由于是现场试验，所以现场供电问题与安全问题（爬塔）都尤为重要。

8.    采种何种分析方法才能准确、高效的分析出这些密集模态。

9.   由于是现场试验，会存在各种意想不到的困难等。

6. 桥梁模态测点布置

由于大多数桥梁都是对称结构，是否可以只测量一半即可？答案是否定的，这是因为桥梁的模态振型除了对称振型之外，还有反对称振型，因此，不能只测量一半。

对于桥面而言，考虑横向和竖向，模态振型为弯曲和扭转振型。因此，每个截面（也称为断面）测点数为3个：桥面上、下游侧各一个垂直传感器，上游或下游一侧布置一个水平传感器，每个截面测点布置如下图所示。如横向测点布置在上游，则下游横向测点使用上游同一截面的测点数据。

每跨测量截面数量的划分视长度而定，通常每跨截面位置按长度等分。主跨等分份数最多，通常为12或8等份，边跨4等份或更少。桥面测量截面数目视关心的阶数而定，通常关心的阶数越多，测量截面越多。

对于桥梁的主塔，若为“H”型主塔，测点布置为主塔每个塔柱顶面布置纵向和横向各一个，H塔横梁位置上、下游纵向和横向各一个。若主塔为“人”字型，则只需在塔顶布置纵向和横向传感器各一个。

在这以主跨650m的某双塔双索面钢箱梁斜拉桥为例进行说明测点布置，边跨设置辅助墩，其跨径布置为90+250+650+250+90=1330m，结构体系为五跨连续半漂浮体系，索塔采用“H”型，索塔总高度200m，底部设置3m高的塔座，如下图所示。

该斜拉桥总测点共85个，桥面23个测量截面，每个截面3个测点，两个桥塔16个测点。23个截面为边跨2等份（1号和6号墩截面不测量），次边跨4等分，主跨12等份。主塔测点布置：上、下游塔柱顶面、中间横梁上、下游位置，每个测点布置纵向和横向传感器各一个，共8个。2个主塔共16个主塔测点。具体测点位置见下表。

7. 模态测量方案

在正式试验前应制定详细的现场试验方案，方案包括传感器测量位置、参考点选择、采样频率、测量时间、测量仪器、分批移动策略和人员安排等。试验前需将采集仪、传感器和导线进行编码。所有带到现场的设备（采集仪、传感器和导线）都应在出发前进行调试，以校验设备是能正常工作的。

试验参与人员应详细了解试验方案、传感器测量位置及各批次设备移动顺序和位置。测量前应将桥面上各测量截面的位置，及对应的测点号进行标识。现场试验时，每个测点位置的传感器方向、编号、档位等信息应详细记录。

由于桥梁振动频率低，因此，常用的传感器安装方式是橡皮泥安装。传感器安装位置的桥面应是实心的，防止安装位置存在桥面表皮脱落或虚空等情况。根据桥梁频率的下限选择941B型速度传感器的档位，通常使用第3档中速度。但如果桥梁频率低于0.25Hz，则宜用第4档。对于本文中的例子斜拉桥，则用第4档，因为第一阶模态频率为0.23Hz。

从第2小节我们已经明白，跨中是偶数阶模态的节点位置，因此，参考点要避开跨中位置。参考点位置可选择主跨的1/3~1/4位置的横向和竖向。本文中5跨斜拉桥的参考点位置为主跨4/12和5/12跨处的水平和竖向。

桥梁长度越长，采样频率越低。通常采样频率可设置为25.6Hz或51.2Hz。这是因为桥梁模态测量通常采用脉动法。所谓的脉动法是指利用大地脉动、风载、交通等方式对桥梁进行激励，测量桥梁响应的方法。另一方面，51.2Hz采样时可分析到25.6Hz，根据以往的实测经验，脉动法对20Hz以内的模态效果明显。在这里，该5跨斜拉桥的采样频率为25.6Hz。

桥梁长度越长，频率越低，对应的周期越长，因此，数据采集时间应越长。通常数据采集时间可设置为20min或更长。数据采集时间可参考以下公式：第一阶频率对应的周期的1000倍。在这，对该5跨斜拉桥每个测点的数据采集时间为40min。

对于测量设备，在这推荐使用北京东方振动与噪声技术研究所研制的4通道INV3062T型数据采集仪。每台设备可测量一个截面，多台之间可以方便地进行级联和同步，同时支持同步线同步（近距离，100米）和GPS同步（远距离甚至不同城市之间），通过局域网或无线路由器连接到计算机，可在线或离线测量。内置大容量电池，无外供电时可工作10小时。

使用5台INV3062T对这座5跨斜拉桥进行测量，一台用作模态参考点，始终不动，移动4台，每台测量一个截面，需分多批次进行测量，每批次采样时间40min。5台数据采集设备通过超大功率无线路由器与电脑连接控制采集，由GPS实现同步采集。

8. 某斜拉桥模态振型

这座5跨斜拉桥模态结果分析采用DASP的EFDD方法获得，由于分批次测量，批次较多，如采用SSI分析，则各批次分析完成后，需要手动调整各阶模态极点，同时对比分析结果，EFDD得到的结果更优。故在这使用EFDD方法分析得到模态结果，前10阶模态振型如下所示。